CN114964319A - 一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统及方法。所述位置测量系统包括绝对式编码器、增量式编码器、FPGA芯片和上位机。绝对式编码器的BISS接口通过数据线和绝对式全双工差分芯片与FPGA连接，增量式编码器的增量接口通过数据线和增量式全双工差分芯片与FPGA连接。FPGA板卡上PCIE接口与上位机连接。测量时，上位机发布测量命令给FPGA芯片，FPGA芯片产生两个命令：请求绝对式编码器输出的位置命令和请求增量式编码器输出的脉冲命令，绝对式编码器和增量式编码器待系统稳定后，开始同时测量并将测量结果反馈给FPGA芯片，FPGA芯片接收完成后，将两路数据进行保存并合成一路位置数据，供给上位机读取。
Description
技术领域
本发明涉及编码器测量领域，具体涉及一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统及方法。
背景技术
随着科技的进步，芯片集成度不断提高、处理速度不断加快、单位储存容量不断扩大，这必然要求芯片制造装备性能及相应技术不断提高。
光刻机是芯片制造装备中最为核心的设备，它应用于芯片制造最为关键的光刻工艺中，由于超精密激光干涉测量技术因其测量精度对环境敏感，难以满足苛刻的测量需求，而光电编码器在计量精度、传输距离和电磁干扰等方面的优势，使得它越来越多得被使用在光刻机工件台超精密运动控制系统中。
目前常用的光电编码器可以分为增量式编码器和绝对式编码器，然而高分辨率的绝对式编码器对位置信息传输速率较低，不适用于要求高速采集的工业领域。
增量式编码器具有简单的构造原理，长久的使用寿命，非常强的抗干扰能力，十分高的可靠性和传输距离长的优点，其缺点是不能输出运动装置的绝对位置信息，测量前须找参考点定位，如不能准确定位参考点，则不能保证位置的准确性。
在实际工程中，每次使用增量式编码器都需找零定位，十分麻烦。由于对机械设备在运动时对精准定位和低误差有严格的要求，目前主要的测量采集方法多采用绝对式编码器和激光干涉仪的方法，绝对式编码器用于采集位置数据，激光干涉仪用于误差修正。激光干涉仪的成本高，易用性差，测量方法存在着易受空间限制，现场实用性差，实现难度大等问题
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统及方法，是一种利用绝对式编码器和增量式编码器的实时测量系统及方法，具有精准定位，低误差，成本低，使用方便等特点。
本发明提供一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统，所述位置测量系统包括绝对式编码器、增量式编码器、FPGA芯片和上位机。绝对式编码器与FPGA芯片连接，增量式编码器与FPGA芯片连接，FPGA芯片与上位机连接。上位机发布测量命令给FPGA芯片，FPGA芯片产生两个命令：请求绝对式编码器输出的位置命令和请求增量式编码器输出的脉冲命令，绝对式编码器和增量式编码器待系统稳定后，开始同时测量并将测量结果反馈给FPGA芯片，FPGA芯片接收完成后，将两路数据进行保存并合成一路位置数据，供给上位机读取。
进一步，所诉绝对式编码器的BISS接口通过数据线和绝对式全双工差分芯片与FPGA芯片连接；所述增量式编码器的增量接口通过数据线和增量式全双工差分芯片与FPGA芯片连接；所述FPGA芯片与上位机采用PCIE总线接口连接。
进一步，所述绝对式编码器与FPGA芯片之间的通讯协议为BISS协议，采用点对点通讯模式。
进一步，所述绝对式全双工差分芯片对绝对信号中的MA+/MA-和SL+/SL-共2组差分信号进行单端/差分信号转换；所述增量式全双工差分芯片对增量信号中的A+/A-、B+/B-和Z+/Z-共三组差分信号进行差分/单端转换。
进一步，所述FPGA芯片内部包括四个模块：绝对信号采集模块、增量信号采集模块、数据合成模块和PCIE接口模块；绝对信号采集模块采集编码器的实时位置数据；增量信号采集模块采集增量信号的脉冲计数；数据合成模块将两路数据进行保存并采用位移测量法合成一路位置数据，利用PCIE接口，实时传输数据供给上位机读取。
进一步，所述位移测量法采用绝对式编码器绝对位置和增量式编码器计数方式，采用双编码器进行位移测量，在高速运动阶段，由绝对式编码器输出绝对位置，作为同等分辨率的增量式编码器计数的起始位置，增量输出的脉冲信号作为高速状态下的位移检测，在绝对式编码器输出下一绝对位置时，增量式编码器将此位置设为参考点，将参考位置修正进计数设备，增量式编码器矫正位置并将脉冲计数归零，将二者数据合成。
本发明提供一种前述位置测量系统的位置测量方法，所述位置测量方法的具体步骤为如下。
步骤一，上位机发布测量命令，FPGA芯片将相应指令传给绝对信号和增量信号，绝对式编码器和增量式编码器待系统稳定后，开始同时测量。
步骤二，绝对式编码器将通过BISS接口，将采集到的32位绝对位置数据传输到FPGA芯片内的绝对信号采集模块；增量式编码器通过增量接口，将A、B和Z三路信号传输到FPGA芯片内的增量信号采集模块。
步骤三，将绝对位置的数据沿和计数脉冲的上升沿对齐；或找到两路信号误差，并补偿误差；将二者数据相结合。
步骤四，将合成的一路数据通过PCIE接口模块传输至上位机显示。
本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现此种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统任一项所述方法的步骤。
本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现此种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统任一项所述方法的步骤。
本发明的有益效果是，该测量装置以双编码器为主要测量器件，现有的编码器采集系统只支持一种特定的编码器。该测量装置采用常见的绝对式编码器和增量式编码器相结合，使结合后的编码器在使用和调试方便的同时提高传输速度，通过数据采集卡和上位机实时获得编码器的数据，实现光刻机工件台超精密运动控制系统在固定平面内运动时的实时位置测量。且使用时，对编码器数据采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，采用高精度的编码器作为测量器件，测量的数据精度较高，利用FPGA芯片内部处理数据，不但保证了精度，而且能经过FPGA设计软件的综合仿真，快速进行测试，提高了装置的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
图2为本发明的FPGA主控模块角度采集逻辑图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统，是由绝对式编码器、增量式编码器、FPGA芯片(现场可编程门阵列)和上位机组成，连接方式为：绝对式编码器的BISS接口通过数据线和绝对式全双工差分芯片与FPGA连接，增量式编码器的增量接口通过数据线和增量式全双工差分芯片与FPGA连接，FPGA芯片板卡上PCIE接口与上位机连接。
所述的FPGA芯片拥有众多的逻辑门，并行处理能力极强，可以在同一时间内处理多个任务。FPGA芯片自带锁相环，可以通过不同时钟频率进行控制，能实现自身倍频，可以倍频出400MHz的时钟频率。FPGA程序语言属于硬件程序语言，支持所见即所得，硬件描述语言可实现逻辑电路的反复设计，经过FPGA设计软件的综合仿真，能快速进行测试，设计的灵活性极高。FPGA提供了大量可供工程师自主设计定义的IP内核，可以自由利用内部FIFO、RAM等资源进行不同时钟频率内的数据进行缓存处理。
所述的绝对式编码器采用BISS接口，2002年iC-Haus公司推出BISS开放接口，目的是提供给传感器和执行器的双向快速通信标准，并且兼容SSI(Synchronous SerialInterface)标准硬件接口。
所述的绝对式编码器与FPGA芯片之间通讯协议为BISS协议，BISS协议格式支持两种组网方式：点对点方式和总线方式。点对点模式中，BISS协议控制器作为主机，传感器作为从机，工作时主机通过差分信号线向从机提供时钟信号，从机依据时钟信号，同步地将数据传送给主机，主机传输数据进从机中。
所述的增量式编码器与FPGA通讯的增量接口选取增量式编码器输出配套接口，增量式编码器输出三相矩形方波差分信号，实现差分与单端信号的相互转换，且具有较好的抗干扰能力。
所述的FPGA芯片与上位机连接方式采用PCIE总线接口，利用PCIE接口，可以通过调整数据的采集速度和接口的传输速度，使得存储器两端的传输率达到一致，从而实现数据的实时传输。
所述的FPGA芯片内部主要由四个模块组成：绝对信号采集模块、增量信号采集模块、数据合成模块以及PCIE接口模块。
绝对信号采集模块主要负责与绝对式编码器之间的BISS通讯。在FPGA主控芯片上开发BISS主机IP核实质是构建一个SoC系统，替代BISS芯片生产商的配套设备设计分为两部分，BISS协议IP核下的传感器模式设计和寄存器设计。
增量信号采集模块通过收发器建立增量式编码器信号的高速采集通道，利用FPGA实现信号的处理逻辑和控制逻辑。FPGA将A、B接收的脉冲进行鉴相比较，然后将比较的结果计数上传。若A脉冲超前B脉冲90度，则计数器加1，反之，则计数器减1。计数器的值代表具有相位关系的A、B脉冲的个数，表示增量式编码器运动轴相对移动位置。
数据合成模块位移测量法采用绝对式编码器绝对位置和增量式编码器计数方式，采用双编码器进行高速、高分辨率位移测量，需根据系统对速度、精度的要求，确定编码器的最大允许移动速度及分辨率，即在高速运动阶段，由绝对式编码器输出绝对位置，作为同等分辨率的增量式编码器计数的起始位置，增量输出的脉冲信号作为高速状态下的位移检测，在绝对式编码器输出下一绝对位置时，增量式编码器将此位置设为参考点，将参考位置修正进计数设备，增量式编码器矫正位置并将脉冲计数归零，将二者数据合成。在绝对位置的末端点定位时刻要得到增量计数的位移测量值，需对满行程的双编码器的测量信号作处理，实现位移测量；双编码器测量信号的处理，需寻求一种双编码器测量信号的精确合成方法，减小双编码信号的合成误差，提高合成后的数据的输出速率。
PCIE接口模块将FPGA芯片与上位机连接。
一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量方法，具体步骤如下：
步骤一，上位机发布测量命令，FPGA芯片将相应指令传给绝对信号和增量信号，绝对式编码器和增量式编码器待系统稳定后，开始同时测量。
步骤二，绝对式编码器将通过BISS接口电路，将采集到的32位绝对位置数据传输到FPGA内的绝对信号采集模块。增量式编码器通过增量接口，将A、B、Z三路信号传输到FPGA内的增量信号采集模块。
步骤三，将绝对位置的数据沿和计数脉冲的上升沿对齐，或找到两路信号误差，通过算法补偿误差，将二者数据相结合。
步骤四，将合成的一路数据通过PCIE接口模块传输至上位机显示。
图1为本发明的系统原理框图，如图所示，PCIE接口固定在采集板上，绝对式编码器通过数据线和绝对式全双工差分芯片与FPGA连接，增量式编码器通过数据线和增量式全双工差分芯片与FPGA连接。
绝对式全双工差分芯片对绝对信号中的MA+/MA-和SL+/SL-共2组差分信号进行单端/差分信号转换；增量式全双工差分芯片对增量信号中的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-共三组差分信号进行差分/单端转换。
主控模块采用FPGA芯片来实现，负责BISS的协议解析，从而得到编码器的实时位置数据，同时负责增量信号的脉冲计数，并将解析的实时位置数据和计数值相结合通过PCIE接口发送给上位机。
图2为本发明的FPGA主控模块采集逻辑图，采集过程包括以下步骤：
S0、FPGA产生两个命令：请求绝对式编码器输出的位置命令，包括MA信号和SL信号；请求增量式编码器输出的脉冲命令。
S1、进入等待接收绝对式编码器位置数据状态，MA出现上升沿，绝对式编码器进入传感器模式，MA第二个上升沿时，绝对式编码器将SL信号拉低，表示对FPGA控制器进行回应，然后依次发送确认、开始、固定位数的数据信息、结束符。
S2、进入等待接收增量式编码器脉冲序列，A脉冲、B脉冲、Z脉冲。3种脉冲包含了编码器的运动位置、速度和方向信息。其中，A、B脉冲包含了的移动距离和方向信息，Z脉冲表示了编码器中点和两端点的信息。
S3、接收完成后，将两路数据进行保存并合成一路位置数据，供给上位机读取。
S4、通过PCIE的中断引脚通知上位机的读取数据，并返回执行步骤S0。上位机外部中断被触发后，读取采集卡合成的位置数据。
Claims (9)
1.一种基于绝对式编码器和增量式编码器的位置测量系统，其特征在于：所述位置测量系统包括绝对式编码器、增量式编码器、FPGA芯片和上位机；绝对式编码器与FPGA芯片连接，增量式编码器与FPGA芯片连接，FPGA芯片与上位机连接；上位机发布测量命令给FPGA芯片，FPGA芯片产生两个命令：请求绝对式编码器输出的位置命令和请求增量式编码器输出的脉冲命令，绝对式编码器和增量式编码器待系统稳定后，开始同时测量并将测量结果反馈给FPGA芯片，FPGA芯片接收完成后，将两路数据进行保存并合成一路位置数据，供给上位机读取。
2.根据权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于：所述绝对式编码器的BISS接口通过数据线和绝对式全双工差分芯片与FPGA芯片连接；所述增量式编码器的增量接口通过数据线和增量式全双工差分芯片与FPGA芯片连接；所述FPGA芯片与上位机采用PCIE总线接口连接。
3.根据权利要求2所述的位置测量系统，其特征在于：所述绝对式编码器与FPGA芯片之间的通讯协议为BISS协议，采用点对点通讯模式。
4.根据权利要求2所述的位置测量系统，其特征在于：所述绝对式全双工差分芯片对绝对信号中的MA+/MA-和SL+/SL-共2组差分信号进行单端/差分信号转换；所述增量式全双工差分芯片对增量信号中的A+/A-、B+/B-和Z+/Z-共三组差分信号进行差分/单端转换。
5.根据权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于：所述FPGA芯片内部包括四个模块：绝对信号采集模块、增量信号采集模块、数据合成模块和PCIE接口模块；绝对信号采集模块采集编码器的实时位置数据；增量信号采集模块采集增量信号的脉冲计数；数据合成模块将两路数据进行保存并采用位移测量法合成一路位置数据，利用PCIE接口，实时传输数据供给上位机读取。
6.根据权利要求5所述的位置测量系统，其特征在于：所述位移测量法采用绝对式编码器绝对位置和增量式编码器计数方式，采用双编码器进行位移测量，在高速运动阶段，由绝对式编码器输出绝对位置，作为同等分辨率的增量式编码器计数的起始位置，增量输出的脉冲信号作为高速状态下的位移检测，在绝对式编码器输出下一绝对位置时，增量式编码器将此位置设为参考点，将参考位置修正进计数设备，增量式编码器矫正位置并将脉冲计数归零，将二者数据合成。
7.一种基于权利要求1所述位置测量系统的位置测量方法，其特征在于：所述位置测量方法为：
步骤一，上位机发布测量命令，FPGA芯片将相应指令传给绝对信号和增量信号，绝对式编码器和增量式编码器待系统稳定后，开始同时测量；
步骤二，绝对式编码器将通过BISS接口，将采集到的32位绝对位置数据传输到FPGA芯片内的绝对信号采集模块；增量式编码器通过增量接口，将A、B和Z三路信号传输到FPGA芯片内的增量信号采集模块；
步骤三，将绝对位置的数据沿和计数脉冲的上升沿对齐；或找到两路信号误差，并补偿误差；将二者数据相结合；
步骤四，将合成的一路数据通过PCIE接口模块传输至上位机显示。
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于：所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
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